一种TCP连接热备份的实现方法.pdf

一种TCP连接热备份的实现方法，涉及网络通信技术领域，基于发送端和接收端，二者均包括主盘和备盘，主盘和备盘均包括TCP/IP协议栈和报文缓存队列，TCP/IP协议栈又包括TCP模块，实现方法包括：对于发送端发送报文，经过该端TCP模块处理后，在传递给网络层处理之前，将报文备份到备盘，收到备盘回复的确认报文后，继续处理报文并发送给接收端；对于接收端接收报文，经链路层和网络层处理后，传递给传输层处理之前，将报文备份到备盘，收到备盘回复的确认报文后，主盘才继续处理报文，并将报文上送到接收端应用程序。本发明保证TCP连接主备倒换不断连，防止报文丢失。

权利要求书1.  一种TCP连接热备份的实现方法，基于发送端和接收端，发送端和接收端均包括主盘和备盘，主盘和备盘均包括TCP/IP协议栈和报文缓存队列，TCP/IP协议栈又包括TCP模块，其特征在于，所述实现方法包括：对于发送端发送报文，经过该端TCP模块处理后，在传递给网络层处理之前，将报文备份到备盘，收到备盘回复的确认报文后，继续处理报文并发送给接收端；对于接收端接收报文，经链路层和网络层处理后，传递给传输层处理之前，将报文备份到备盘，收到备盘回复的确认报文后，主盘才继续处理报文，并将报文上送到接收端应用程序。2.  如权利要求1所述的TCP连接热备份的实现方法，其特征在于：发送端的应用程序创建socket控制块，主盘TCP/IP协议栈将相关的socket控制块备份到备盘，备盘创建对应的socket控制块。3.  如权利要求2所述的TCP连接热备份的实现方法，其特征在于：在发送端，主盘的应用程序发送报文后阻塞在发送函数中，主盘TCP/IP协议栈收到报文，调用TCP模块处理后，在发送给网络层之前，将报文、报文的开始序列号和结束序列号备份到发送端的备盘，备盘收到主盘备份的报文后，缓存到报文缓存队列中，并向主盘发送确认报文，主盘接收到备盘的确认报文后，通知阻塞在发送函数中的应用程序返回；主盘继续调用网络层和链路层相关处理函数，按正常流程将报文传送给接收端。4.  如权利要求1所述的TCP连接热备份的实现方法，其特征在于：对于发送端，当主盘有报文未发送出去，则发生主备倒换，备盘升级为主盘，将报文缓存队列中的报文重新组织发送出去。5.  如权利要求1所述的TCP连接热备份的实现方法，其特征在 于：接收端的用户创建socket控制块时，主盘TCP/IP协议栈将相关的socket控制块备份到备盘，备盘创建相应的socket控制块。6.  如权利要求5所述的TCP连接热备份的实现方法，其特征在于：接收端通过其主盘TCP/IP协议栈的物理接口接收报文，报文经过链路层及网络层处理后，传递至主盘传输层入口时，主盘TCP模块缓存该报文到缓存队列中，并透传至备盘的TCP模块，备盘收到报文后向主盘回复确认报文；主盘TCP模块收到确认报文后，从主盘的报文缓存队列中找出相应的报文，经过处理后向发送端回复ACK报文，并将接收到的由发送端发来的报文上传至主盘应用程序。7.  如权利要求1所述的TCP连接热备份的实现方法，其特征在于：所述发送端或接收端，其备盘插入瞬间，主盘检测到备盘上线，如果主盘的TCP缓冲区中有缓存报文，主盘TCP模块将报文上送至主盘应用程序，并通知主盘应用程序开始收方向定界，主盘应用程序进行相关数据备份。8.  如权利要求7所述的TCP连接热备份的实现方法，其特征在于：所述主盘应用程序进行相关数据备份具体为，主盘应用程序通知主盘TCP模块进行发送方向的定界，TCP模块将相关数据备份到备盘的TCP模块。

说明书一种TCP连接热备份的实现方法
技术领域
本发明涉及网络通信技术领域，具体涉及一种TCP连接热备份的实现方法。
背景技术
TCP(Transmission Control Protocol，传输控制协议)是当今网络世界使用最为普遍的传输层协议，目前流行的协议如FTP、HTTP等都是基于TCP实现。随着路由器使用场景越来越复杂，越来越多样化，对基于TCP技术的服务提出了更高标准的要求，因此TCP高可靠性应运而生。
TCP NSR(Non-Stop Routing)是实现TCP高可靠性的实现方式之一，是指为分布式设备提供热备份的机制，又称多主控技术。为分布式设备配备两块或多块主控盘，一块为主用盘(以下简称主盘)、其它为备用盘(以下简称备盘)，当主盘发生故障时，系统自动进行主备倒换，由备盘无缝、平滑地接替主盘的工作。
如图1所示，Node A和Node B之间建立一条TCP连接。Node B是一台分布式的设备，有主盘和备盘。正常工作时由主盘完成这个TCP连接，主盘出现问题由备盘接替。这个简单的备份，在使用TCP协议时遇到难题：由于备盘无法获知主盘上TCP连接运行状态，缓存数据以及已使用的序列号，发生切换时必须重新建立一条新的TCP连接，而这将会导致严重的问题。比如Node B和Node A是两台路由器，之间运行BGP路由协议，一旦重建TCP，就要重新交换路由 信息，因此产生路由震荡。
为解决该问题，目前业界采用两种方案：
如图2所示的第一种方案中，通过修改TCP状态机来实现TCP的备份。图中的ESTAB是TCP状态机中固有的稳定状态，本方案在在ESTAB之前新增了SYN RCVD*和SYN SENT*两个TCP状态。各个状态变迁中的Rec ACK、Rec SYNC、Send SYN、Rec SYN、ACK、Send ACK、Need Synchronization均为报文格式，这种方案能解决TCP备份的难点，但致命的问题在于，该方案只适用于同一家厂商的路由器，其他厂商路由器上的TCP/IP协议栈并不感知SYN RCVD*和SYN SENT*这两个状态，从而导致丢弃报文。
如图3所示的第二种方案中，是把主盘接收或发送的packet报文都复制一份给备盘，如果主盘和备盘采用相同算法，则可以保持一致的TCP状态。而本方案中，主盘和备盘是独立的，虽然算法一致，但实际上各进程的调度顺序可能存在差异，要做到完全一致很困难。在实际使用中，也会导致丢弃报文。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种TCP连接热备份的实现方法，保证TCP连接主备倒换不断连，防止报文丢失。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种TCP连接热备份的实现方法，基于发送端和接收端，发送端和接收端均包括主盘和备盘，主盘和备盘均包括TCP/IP协议栈和报文缓存队列，TCP/IP协议栈又包括TCP模块，所述实现方法包括：对于发送端发送报文，经过该端TCP模块处理后，在传递给网络层处理之前，将报文备份到备盘，收到备盘回复的确认报文后，继续处理报文并发送给接收端； 对于接收端接收报文，经链路层和网络层处理后，传递给传输层处理之前，将报文备份到备盘，收到备盘回复的确认报文后，主盘才继续处理报文，并将报文上送到接收端应用程序。
在上述技术方案的基础上，发送端的应用程序创建socket控制块，主盘TCP/IP协议栈将相关的socket控制块备份到备盘，备盘创建对应的socket控制块。
在上述技术方案的基础上，在发送端，主盘的应用程序发送报文后阻塞在发送函数中，主盘TCP/IP协议栈收到报文，调用TCP模块处理后，在发送给网络层之前，将报文、报文的开始序列号和结束序列号备份到发送端的备盘，备盘收到主盘备份的报文后，缓存到报文缓存队列中，并向主盘发送确认报文，主盘接收到备盘的确认报文后，通知阻塞在发送函数中的应用程序返回；主盘继续调用网络层和链路层相关处理函数，按正常流程将报文传送给接收端。
在上述技术方案的基础上，对于发送端，当主盘有报文未发送出去，则发生主备倒换，备盘升级为主盘，将报文缓存队列中的报文重新组织发送出去。
在上述技术方案的基础上，接收端的用户创建socket控制块时，主盘TCP/IP协议栈将相关的socket控制块备份到备盘，备盘创建相应的socket控制块。
在上述技术方案的基础上，接收端通过其主盘TCP/IP协议栈的物理接口接收报文，报文经过链路层及网络层处理后，传递至主盘传输层入口时，主盘TCP模块缓存该报文到缓存队列中，并透传至备盘的TCP模块，备盘收到报文后向主盘回复确认报文；主盘TCP模块收到确认报文后，从主盘的报文缓存队列中找出相应的报文，经过处理后向发送端回复ACK报文，并将接收到的由发送端发来的报文 上传至主盘应用程序。
在上述技术方案的基础上，所述发送端或接收端，其备盘插入瞬间，主盘检测到备盘上线，如果主盘的TCP缓冲区中有缓存报文，主盘TCP模块将报文上送至主盘应用程序，并通知主盘应用程序开始收方向定界，主盘应用程序进行相关数据备份。
在上述技术方案的基础上，所述主盘应用程序进行相关数据备份具体为，主盘应用程序通知主盘TCP模块进行发送方向的定界，TCP模块将相关数据备份到备盘的TCP模块。
本发明的有益效果在于：将TCP状态信息从主盘备份到备盘，同时将该TCP连接的报文以及序列号一起备份到备盘，当主盘发生故障时，系统自动进行主备倒换，倒换后，基于备份的报文做平滑处理，由备盘无缝、平滑地接替主盘的工作，从而保证TCP连接不断连。
附图说明
图1为背景技术中双节点通讯图；
图2为背景技术中第一种方案示意图；
图3为背景技术中第二种方案示意图；
图4为本发明TCP连接热备份的实现方法的原理图；
图5为本发明实施例发送报文处理流程图；
图6为本发明实施例接收报文处理流程图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明TCP连接热备份的实现方法，基于发送端和接收端，发送端和接收端均包括主盘和备盘，如图4所示，为发送端或接收端的 主盘和备盘。主盘和备盘均包括BGP(Border Gateway Protocol，边界网关协议)模块、TCP/IP协议栈和报文缓存队列，BGP模块是一个通过sokcet控制块的接口使用TCP服务的APP(应用程序)，TCP/IP协议栈包括socket控制块、TCP模块(传输层)和IP模块(网络层)，共同对外提供服务。所述实现方法包括：对于发送端发送报文，经过该端TCP模块处理后，在传递给IP模块(网络层)处理之前，将报文备份到备盘，收到备盘回复的确认报文后，继续处理报文并发送给接收端；对于接收端接收报文，经链路层和网络层处理后，传递给传输层处理之前，将报文备份到备盘，收到备盘回复的确认报文后，主盘才继续处理报文，并将报文上送到接收端应用程序。
如图5所示，所述发送端发送报文的具体处理流程如下：
S101.发送端的APP创建socket控制块，主盘的TCP/IP协议栈将相关的socket控制块备份到备盘，备盘创建对应的socket控制块。
S102.APP发送报文后阻塞在发送函数中，(如进程间锁机制)，不返回。
S103.主盘TCP/IP协议栈收到APP发送的报文，调用TCP模块相关API函数处理后，在发送给网络层之前，将报文、报文的开始序列号和结束序列号备份到发送端的备盘，以及后续报文和报文的序列号一起备份到备盘，等待备盘确认报文。
S104.备盘收到主盘备份的报文后，缓存到其报文缓存队列中，并向主盘发送确认报文，同时将这些缓存的报文上送到备盘的APP。
S105.主盘接收到备盘的确认报文后，通知阻塞在发送函数中的APP，APP返回。
S106.主盘继续调用网络层和链路层相关处理函数后，按正常流程将报文传送给接收端。当主盘有报文未发送出去，则发生主备倒换， 备盘升级为主盘，根据报文缓存队列中的报文，重新组织报文发送出去，保证接收端收到连续的报文。
如图6所示，接收端接收报文处理流程如下：
S201.接收端的用户创建socket控制块时，主盘TCP/IP协议栈将相关的socket控制块备份到备盘，备盘创建相应的socket控制块。
S202.接收端接收报文时，从主盘TCP/IP协议栈的物理接口收包，备盘接口不参与收发包。
S203.接收到的报文经过链路层及网络层处理后，传递至传输层TCP收包处理时，主盘TCP模块缓存该报文到缓存队列中，并透传至备盘的TCP模块，等待备盘TCP模块确认报文。
S204.备盘TCP模块收到主盘发送的报文后，向主盘回复确认报文，同时TCP模块处理收到的报文，并上送到备盘APP，备盘TCP模块删除缓存的报文。
S205.主盘TCP模块收到备盘的确认报文后，从主盘的报文缓存队列中找出相应的报文，经过相关处理后向发送端回复ACK报文，并将接收到的由发送端发来的上传至主盘APP。
在发送端或接收端的报文发生倒换前，需要进行报文定界，具体为：在发送端或接收端，其备盘插入瞬间，主盘检测到备盘上线，开始进入批备。如果主盘的TCP缓冲区中有缓存报文，主盘TCP模块将报文上送至主盘APP，并通知主盘APP开始收方向定界。主盘APP进行相关数据备份，主盘APP通知主盘TCP模块进行发送方向的定界，TCP模块将相关数据备份到备盘的TCP模块。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的 内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。